Autodistrugerea celulară poate fi străveche. Dar de ce? | Revista Quanta

Poate fi greu de spus, la început, când o celulă este pe punctul de a se autodistruge.

Se pare că își desfășoară activitatea obișnuită, transcrie gene și produce proteine. Organelele centrale numite mitocondrii produc energie. Dar apoi un mitocondrie primește un semnal, iar proteinele sale de obicei placide își unesc forțele pentru a forma o mașină de moarte.

Ei taie celula cu o seriozitate uluitoare. În câteva ore, tot ceea ce a construit celula este în ruine. Câteva bule de membrană sunt tot ce rămâne.

„Este cu adevărat uimitor cât de rapid, cât de organizat este”, a spus Aurora Nedelcu, un biolog evoluționist de la Universitatea din New Brunswick care a studiat procesul în alge.

Apoptoza, așa cum este cunoscut acest proces, pare pe cât de puțin probabilă, pe atât de violentă. Și totuși, unele celule trec prin această serie devastatoare, dar previzibilă de pași pentru a se sinucide intenționat. Când biologii l-au observat pentru prima dată, au fost șocați să găsească moartea autoindusă printre organismele vii, care se străduiesc. Și, deși s-a dovedit că apoptoza este o forță creatoare vitală pentru multe creaturi multicelulare, pentru o anumită celulă este complet ruinoasă. Cum ar putea evolua un comportament care are ca rezultat moartea subită a unei celule, cu atât mai puțin să persistă?

Instrumentele pentru apoptoză, au descoperit biologii moleculari, sunt în mod curios de răspândite. Și pe măsură ce au căutat să înțeleagă procesul și originile sale moleculare, au găsit ceva și mai surprinzător: apoptoza poate fi urmărită până la forme antice de moarte celulară programată întreprinse de organisme unicelulare - chiar și bacterii - care par să fi evoluat. ca comportament social.

Concluziile unui studiu, publicat în toamna trecută, sugerează că ultimul strămoș comun al drojdiei și al oamenilor - primul eucariot sau celulă care poartă un nucleu și mitocondrii - avea deja instrumentele necesare pentru a se pune capăt în urmă cu aproximativ 2 miliarde de ani. Și alte cercetări, inclusiv o hârtie cheie publicat în mai anul trecut, indică faptul că, atunci când acel organism era în viață, moartea celulară programată de un anumit fel avea deja milioane de ani.

Unii cercetători cred că originile apoptozei practicate în celulele noastre ar putea fi urmărite în mitocondrie, care este în mod curios esențial pentru proces. Alții, totuși, bănuiesc că originile morții celulare ar putea fi într-un târg demult între strămoșii noștri și bacterii. Oricare ar fi calea, noile cercetări iau la suprafață dovezi tentante că moartea celulară programată poate fi mai veche decât și-a dat seama oricine și mai universală. De ce viața este atât de bântuită de moarte?

Când Moartea Este Planul

La sfârșitul anilor 1950, biologul celular Richard Lockshin a devenit fascinat de ceea ce se întâmplă cu țesuturile de care un organism nu mai are nevoie. Lucra în laboratorul Universității Harvard al expertului în insecte Carroll Williams, care achiziționase 20,000 de coconi de viermi de mătase din Asia; când au ajuns la laborator, metamorfoza lor începuse. În interiorul fiecărui cocon, celulele viermilor de mătase mureau, astfel încât creatura putea deveni o molie de mătase. Lockshin a continuat să documenteze moartea țintă a țesuturilor din interiorul corpului lor, pe care a numit-o „moarte celulară programată”.

Cam în același timp, patologul australian John Kerr întoarse un microscop electronic asupra celulelor embrionilor de șobolan pentru a face o descoperire similară. Pe măsură ce embrionul s-a dezvoltat, noi celule au fost adăugate la planul corpului. Cu toate acestea, și celulele mureau. Nu a fost un accident și nu a fost rezultatul unei răni. Această moarte, pe care el a numit-o „apoptoză”, a fost „un fenomen activ, controlat în mod inerent”, a scris Kerr. În embrionii de șobolan, moartea era planul.

Cercetătorii care au observat acest tip de moarte au ajuns în cele din urmă la o explicație rezonabilă pentru aceasta. În timpul dezvoltării, un glob de celule care se divid rapid devine ceva cu aripi și antene, sau degete de la mâini și de la picioare. Pe parcurs, unele dintre acele celule trebuie să iasă din calea celorlalte. Chiar și la adulți, moartea celulară programată avea sens științific. Celulele nesănătoase - cum ar fi cele care acumulează leziuni ADN - trebuie să fie capabile să se elimine dintr-un corp multicelular, pentru a nu provoca distrugeri suplimentare celulelor din jurul lor. Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că eșecurile apoptozei ar putea duce la boală, ceea ce era, de asemenea, potrivit. În cancer, o celulă care ar fi trebuit să moară - o celulă al cărei ADN are atât de multe greșeli încât ar fi trebuit să se elimine singură - nu. În bolile autoimune și alte boli, celulele care nu ar trebui să moară, și invers: celulele care ar trebui să moară nu.

Experții au presupus, totuși, că această abilitate era unică pentru organismele multicelulare, care aveau corpuri formate din multe celule pentru care alte celule ar putea muri. Ce bine ar putea culege un organism unicelular din propria sa moarte? Evoluția cu greu ar putea favoriza un comportament care să-și elimine purtătorul din fondul genetic.

„Nu părea să aibă sens de ce ceva s-ar sinucide în mod activ”, a spus Pierre Durand, un biolog evoluționist la Universitatea din Witwatersrand din Africa de Sud.

Dar, pe măsură ce oamenii de știință au schițat aceste protocoale de moarte mai detaliat, unii au început să realizeze că eucariotele unicelulare au instrumente și abilități similare. În 1997, o echipă de cercetători condusă de biochimistul Kai-Uwe Fröhlich celule de drojdie raportate demontându-se metodic — primul exemplu cunoscut al unui „eucariot inferior unicelular” care are mecanismul de bază al morții celulare programate. Curând, algele unicelulare, protiștii și alte ciuperci s-au alăturat rândurilor creaturilor cunoscute pentru moartea autoindusă.

Pe măsură ce biologii au încercat să înțeleagă cum ar fi putut fi dezvoltat organismele această abilitate, au fost forțați să se confrunte cu o altă întrebare: dacă moartea celulară programată nu a apărut cu multicelularitate, atunci de unde a venit?

Instrumentele pentru job

Iată ce se întâmplă când o celulă eucariotă se condamnă să moară.

În primul rând, vine un semnal că sfârșitul a venit. Dacă este din afara celulei - dacă celulele din jur și-au marcat vecinul pentru moarte - semnalul ajunge la suprafața celulei și leagă un receptor de moarte, care pornește apoptoza. Dacă semnalul vine din interiorul celulei – dacă motivul morții este deteriorarea genomului, de exemplu – atunci procesul începe cu mitocondriile care se întorc împotriva celulei gazdă.

În ambele cazuri, enzimele specializate trec curând în acțiune. Unii factori apoptotici, cum ar fi caspazele la animale, se pot activa reciproc într-o cascadă de rapiditate uluitoare care devine un roi și taie structurile celulei în panglici. După aceea, soarta celulei este pecetluită.

„Există multe drumuri către moartea celulelor”, a spus L. Aravind, un biolog evoluționist la Centrul Național pentru Informații Biotehnologice. Toate se termină cu enzime apoptotice și cu fragmente de proteine ​​și ADN acolo unde a fost o celulă.

Apoptoza este atât de strâns controlată și atât de larg practicată, încât este greu să nu ne întrebăm de unde au apărut mecanismele sale - atât piesele care alcătuiesc mașina, care trebuie să fi venit mai întâi, cât și modalitățile în care funcționează împreună. Această curiozitate este ceea ce l-a determinat pe Szymon Kaczanowski și Urszula Zielenkiewicz a Academiei Poloneze de Științe la un set recent de experimente. Ei au vrut să știe dacă proteinele apoptotice de la un eucariot ar funcționa dacă sunt conectate la mașina apoptotică a unei rude îndepărtate. Dacă procesul încă a funcționat, și-au gândit ei, atunci funcțiile enzimelor - felul în care feliau și tăiau ADN-ul sau activează alte părți ale mașinii - trebuie să fi fost în mare măsură conservate pe perioade lungi de timp.

Echipa a conceput himere de drojdie care aveau enzime apoptotice din întreaga lume eucariotă: de la plante de muștar, mucegaiuri, oameni și parazitul care provoacă leishmanioza. Apoi, cercetătorii au indus apoptoza. Ei au văzut că multe dintre aceste himere au fost capabile să se execute, indiferent de originile proteinelor. Mai mult, „diferitele semne distinctive ale apoptozei sunt frecvent menținute”, a spus Kaczanowski, inclusiv ruperea ADN-ului și condensarea cromatinei în nucleu.

Ei s-au întrebat, de asemenea, dacă proteinele bacteriene le-ar putea înlocui pe cele eucariote. Când au introdus gene de proteine ​​analogice de la o mână de bacterii, echipa a observat moartea programată în unele himere, dar nu în toate. Acest lucru a sugerat că instrumentele pentru moartea autoindusă au precedat chiar și eucariotele, au concluzionat cercetătorii.

Nu toată lumea este de acord cu interpretarea lor. Unele dintre aceste proteine, în special cele care taie ADN-ul și proteinele, sunt periculoase pentru celulă, a spus Aravind; o celulă ar putea muri pur și simplu din cauza daunelor, mai degrabă decât din cauza unui proces apoptotic.

Totuși, Kaczanowski și Zielenkiewicz cred că ceea ce văd este adevărata moarte celulară programată. Și una dintre speculațiile lor despre motivul pentru care genele bacteriene ar putea funcționa în eucariote se leagă de o idee care a fost discutată de biologi de zeci de ani.

Teoria implică mitocondria - un organel care a fost cândva o bacterie cu viață liberă. Este producătorul de energie al celulei. De asemenea, apare din nou și din nou în căile de apoptoză. Guido Kroemer, care studiază rolul mitocondriilor în apoptoză, le-a numit „organele sinucigașe. "

„Mulți îl numesc”, a spus Nedelcu, „călăul central al morții celulei”.

O slujbă din interior?

Mitocondria este un lucru destul de mic la microscop, o pastilă îngrijită care conține un labirint de membrane. Descompune zaharurile pentru a genera ATP, o moleculă a cărei energie alimentează aproape fiecare proces celular. Nu știm exact cum a ajuns în noi: bacteria originală ar fi putut fi prada strămoșului nostru unicelular și apoi a scăpat de digestie prin mijloace încă misterioase. S-ar putea să fi fost o celulă vecină, împărtășind resurse cu strămoșul nostru până când destinele lor au fost atât de împletite încât trupurile lor au devenit una.

Oricare ar fi originile sale, mitocondria are propriul său genom mic, rămas din zilele sale de independență. Dar multe dintre genele sale s-au mutat în genomul gazdei. În 2002, Aravind și Eugene Koonin au scris o hârtie de reper luând în considerare ideea că eucariotele ar putea să fi obținut unele dintre genele lor de apoptoză din mitocondrie. Această mică rămășiță a unei bacterii ar putea fi sursa unor instrumente pe care celulele eucariote le folosesc pentru a se sinucide.

Genele pentru apoptoză i-au amintit lui Kaczanowski și Zielenkiewicz de o cursă a înarmărilor între un prădător și prada acestuia. În noua lor lucrare, ei au speculat că ar putea fi resturi de la instrumentele dezvoltate de un organism pradă, probabil bacteria mitocondrială originală, pentru a se apăra.

Poate că, odată prinse în strămoșul nostru străvechi, proteinele apoptotice au devenit o modalitate prin care mitocondria stresează gazda să-și schimbe comportamentul, spune o ipoteză colectată de Durand și Grant Ramsey, un filozof al științei, într-o recenzie au publicat în iunie anul trecut. Sau poate sunt rămășițele unui mod în care mitocondria s-a asigurat că gazda nu ar putea scăpa de el - o otravă pentru care doar mitocondriile au posedat antidotul. Undeva pe parcurs, procesul a fost capturat sau transformat de gazdă, iar o variantă a evoluat în apoptoză propriu-zisă.

Căutarea de răspunsuri despre originea apoptozei eucariote pare să atragă cercetătorii mai adânc în lumea bacteriilor. De fapt, unii se mirau dacă răspunsurile pot sta în motivul pentru care organismele unicelulare își iau viața. Dacă o formă de moarte celulară programată este mai veche decât viața multicelulară – mai veche chiar decât eucariotele – atunci poate că înțelegerea de ce se întâmplă în organisme fără corpuri de care să beneficieze și fără mitocondrii pentru a accelera procesul poate explica cum a început totul.

Pentru binele unui întreg

Iată un motiv pentru care un organism unicelular ar putea alege să moară: să-și ajute vecinii.

În anii 2000, când Durand era cercetător postdoctoral la Universitatea din Arizona, a descoperit ceva intrigant în timpul un experiment cu alge eucariote unicelulare. Când a hrănit cu alge rămășițele rudelor lor care muriseră prin moartea celulară programată, celulele vii au înflorit. Dar când le-a hrănit cu rămășițele rudelor ucise violent, creșterea algelor a încetinit.

Moartea celulară programată pare să creeze resurse utilizabile din părțile moarte. Cu toate acestea, acest proces ar putea beneficia doar de rudele algelor moarte, a descoperit el. „A fost de fapt dăunător pentru cei dintr-o specie diferită”, a spus Durand. În 2022, un alt grup de cercetare a confirmat constatarea într-o altă alge.

Rezultatele explică posibil modul în care moartea celulară poate evolua la creaturile unicelulare. Dacă un organism este înconjurat de rude, atunci moartea lui poate oferi hrană și, prin urmare, poate spori supraviețuirea rudelor sale. Asta creează o deschidere pentru selecția naturală pentru a alege instrumentele pentru moartea autoindusă.

Bacteriile, de asemenea, sunt unicelulare și pot trăi printre rudele lor. Pot muri și pentru un bine mai mare? Există indicii că in conditiile potrivite, bacteriile infectate cu un virus se pot sinucide pentru a opri răspândirea bolii. Aceste dezvăluiri au remodelat modul în care cercetătorii gândesc despre moartea celulară programată, iar Aravind a descoperit recent o altă piesă a puzzle-ului.

Acesta implică regiuni proteice numite Domeniile NAHT, care apar în unele proteine ​​de apoptoză animală. Domeniile NAHT există și în bacterii. De fapt, în sălbăticie, microbii care au cele mai multe domenii NACHT participă uneori la ceea ce seamănă foarte mult cu viața multicelulară, a spus Aravind. Ei cresc în colonii, ceea ce îi face deosebit de vulnerabili la contagiune și mai ales probabil să beneficieze de sacrificiul de sine al celuilalt.

colegul lui Aravind Aaron Whiteley și laboratorul său de la Universitatea din Colorado și laboratorul său echipat E. coli cu domenii NACHT și le-a crescut în eprubete. Apoi au infectat celulele cu viruși. În mod surprinzător, ei au descoperit că proteinele purtătoare de NACHT au fost necesare pentru a declanșa o formă de moarte celulară programată, celulele infectate ucigându-se atât de repede încât virușii nu se puteau replica. Sacrificiul lor i-ar putea proteja pe alții din jurul lor de infecție, a spus Aravind.

Aceste domenii conservate spun o poveste de origini apoptotice, potrivit Aravind. „Aveți deja un aparat prefabricat de moarte celulară care era acolo în anumite bacterii”, a spus el. Apoi, la un moment dat, unele linii de celule eucariote au preluat acest set de instrumente, care în cele din urmă a dotat celulele din organismele multicelulare cu o modalitate de a muri pentru binele mai mare.

El nu mai crede că dovezile indică mitocondria ca singura sursă bacteriană de proteine ​​de apoptoză. Mitocondriile sunt resturile bacteriene primare care încă trăiesc în majoritatea celulelor eucariote, iar în urmă cu 25 de ani era candidatul logic pentru aceste gene misterioase, a spus el. În anii de după, însă, altceva a devenit clar: mitocondria probabil nu a fost singura.

Bacteriile din noi

Genoamele eucariote, au realizat treptat cercetătorii, poartă multe urme de gene bacteriene, rămășițe ale unei parade tăcute a altor creaturi care și-au lăsat amprentele asupra noastră. S-ar putea să fi fost simbioți, ca mitocondria, asta ieșit și ieșit a diferitelor linii eucariote, lăsând genele în urmă. „Ar trebui să realizăm acum că această situație probabil a continuat pe tot parcursul evoluției eucariote”, a spus Aravind.

Genele implicate în apoptoză ar fi putut proveni de la foști parteneri simbiotici care au plecat de atunci. Sau pot fi rezultatele transferului orizontal de gene - un proces cândva considerat a fi rar și acum considerat relativ răspândit - unde genele pot sări de la un organism la altul prin procese care sunt încă în curs de elaborare. Pachetele de gene utile pot sări între regnurile vieții și pot persista în organisme noi dacă beneficiile sunt suficient de mari.

Unul dintre aceste beneficii, destul de ciudat, pare să fie autodistrugerea programată.

Toate acestea sunt importante pentru că pun în evidență realitatea încurcată care stă la baza expresiei smerite „supraviețuirea celui mai potrivit”. Evoluția funcționează în moduri surprinzătoare, iar genele au multe scopuri. Cu toate acestea, ceea ce devine din ce în ce mai clar este că un fel de colectivitate primitivă - și, odată cu ea, sacrificiile de sine organizate de către ființe vii - a durat, posibil, miliarde de ani înainte de a apărea viața multicelulară. Poate că, pe măsură ce oamenii de știință continuă să pună laolaltă originile morții celulare, vom găsi o noțiune mai largă despre ceea ce sunt moartea și viața.